基于iFIX和西門子PLC的啤酒糖化自動(dòng)控制系統(tǒng)

黃 雨

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029）

啤酒由于風(fēng)味獨(dú)特，營養(yǎng)豐富，酒精度低，價(jià)格適中，深受人民群眾的喜愛。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，啤酒工業(yè)也蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在啤酒工業(yè)出現(xiàn)集團(tuán)化的趨勢(shì)，青島、雪花、燕京及百威等大型啤酒集團(tuán)紛紛在各地建分廠，或收購當(dāng)?shù)仄【茝S進(jìn)行升級(jí)改造。小型啤酒廠的生產(chǎn)過程包括糖化、發(fā)酵、后處理及包裝3 大工序[1]。糖化過程是一個(gè)非常復(fù)雜的生化過程，涉及復(fù)雜的操作及對(duì)眾多參數(shù)的控制[2-3]。2015年年底，燕京啤酒集團(tuán)在位于內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)的、年產(chǎn)能100 ML 的新啤酒廠按期投產(chǎn)，其糖化線生產(chǎn)能力60 t/鍋。作為該糖化車間項(xiàng)目的親歷者，在此詳述糖化自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的編程、調(diào)試以及現(xiàn)場儀表安裝調(diào)試的注意事項(xiàng)。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

該啤酒廠糖化自動(dòng)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)加下位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，上下位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊。

上位機(jī)采用C/S 模式，包括3 臺(tái)電腦，1 臺(tái)作為服務(wù)器，另外2 臺(tái)作為客戶機(jī)。不同操作員可以同時(shí)分別在3 臺(tái)電腦操作，分別監(jiān)管在不同鍋槽里的3 批物料，提高了生產(chǎn)效率。如果服務(wù)器出現(xiàn)故障，另外1 臺(tái)客戶機(jī)可以切換為服務(wù)器繼續(xù)正常工作，避免對(duì)生產(chǎn)造成影響。

下位機(jī)主站的CPU 選用414-2DP，以太網(wǎng)通訊模塊選用CP443-1。8 個(gè)300 系列的ET200M 作為從站，各ET200M 子站最高可帶8 個(gè)模擬量或數(shù)字量的輸入/輸出I/O 模塊。8 個(gè)從站分別對(duì)應(yīng)：糊化鍋和糖化鍋、過濾槽、暫存罐、煮沸鍋、沉淀槽、水系統(tǒng)、CIP、低壓柜。主站與各子站之間采用ProfiBus DP的現(xiàn)場總線連接，可在軟件內(nèi)設(shè)置通訊速度。

這種分布式結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)有極強(qiáng)的穩(wěn)定性（任意數(shù)量子站出現(xiàn)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰）、易擴(kuò)展性和易維護(hù)性。該結(jié)構(gòu)充分利用了400 系列強(qiáng)大的運(yùn)算和通訊能力和300 系列的低成本。各PLC 從站分別就近分布在現(xiàn)場的各個(gè)鍋槽旁邊的不銹鋼控制柜里，相比集中控制系統(tǒng)該方式可以節(jié)約線槽及布線，且利于維護(hù)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 糖化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of saccharification control system

2 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用當(dāng)今主流的GE 的iFIX 5.5 開發(fā)，操作系統(tǒng)選用微軟的Win7 32 位旗艦版+sp1，與下位機(jī)PLC 通過S7A 驅(qū)動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)糖化生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。每個(gè)人根據(jù)不同的用戶名和密碼登錄對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限[4]，工藝員權(quán)限可以修改配方和工藝參數(shù)，操作員只能執(zhí)行工藝，過客只能瀏覽顯示界面而不能進(jìn)行任何操作。

上位機(jī)顯示界面根據(jù)功能和生產(chǎn)流程，分別如圖2～圖9所示。

圖2 糊化鍋和糖化鍋顯示界面Fig.2 Display interface of rice cooker and mash tun

圖3 過濾槽顯示界面Fig.3 Lauter tun display interface

圖4 暫存罐顯示界面Fig.4 Wort pre-run buffer tand display interface

圖5 煮沸鍋顯示界面Fig.5 Work kettle display interface

圖6 沉淀槽顯示界面Fig.6 Whirlpool display interface

各界面顯示所有的測(cè)控點(diǎn)。模擬量輸入點(diǎn)主要包括溫度、壓力、液位（也采用壓力計(jì)算出）、流速、電導(dǎo)率（CIP 里測(cè)定酸堿濃度）等；數(shù)字量輸入點(diǎn)主要包括閥反饋、溢鍋信號(hào)、空罐檢測(cè)（音叉）、人孔反饋、空開反饋、交流接觸器反饋、變頻器反饋。模擬量輸出點(diǎn)主要是控制調(diào)節(jié)閥（控制蒸汽、水、醪液）和變頻器（控制水泵、電機(jī)）；數(shù)字量輸出點(diǎn)主要是控制閥、交流接觸器（控制水泵、電機(jī)）。

圖7 水系統(tǒng)顯示界面Fig.7 Water system display interface

圖8 CIP 顯示界面Fig.8 CIP display interface

圖9 總配方顯示界面Fig.9 Whole recipe display interface

顯示界面簡潔美觀，操作方便靈活。點(diǎn)擊各界面的對(duì)象名稱，就會(huì)自動(dòng)切換到相應(yīng)界面。

界面上所有執(zhí)行器都有自動(dòng)和手動(dòng)2 種模式。在自動(dòng)模式下，操作員根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃選擇啤酒工藝后，系統(tǒng)按工藝自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)各種參數(shù)（溫度、流量、時(shí)間等）進(jìn)行控制，滿足條件后自動(dòng)轉(zhuǎn)到下一步，操作員只需進(jìn)行監(jiān)視，無需操作。少數(shù)需要人工判定的步驟（該鍋槽需要等待其他鍋槽，或操作員需人工測(cè)定醪液參數(shù)），系統(tǒng)自動(dòng)彈出對(duì)話框，提醒操作員完成相關(guān)操作后點(diǎn)擊確定跳轉(zhuǎn)到下一步。對(duì)比傳統(tǒng)的手動(dòng)或半自動(dòng)生產(chǎn)方式，現(xiàn)在每班操作工只需2 人即可，效率、生產(chǎn)品質(zhì)和穩(wěn)定性均大為提高。

在現(xiàn)場測(cè)控設(shè)備出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，操作員應(yīng)對(duì)相應(yīng)界面的執(zhí)行器進(jìn)行手動(dòng)操作，以保證生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，待故障設(shè)備恢復(fù)正常后即可轉(zhuǎn)回自動(dòng)模式。

該自控系統(tǒng)擁有完善的操作和報(bào)警記錄，iFIX通過開放數(shù)據(jù)庫連接ODBC （open database connectivity）對(duì)SQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取[4]。iFIX自己也帶有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，用于保存溫度、流量等數(shù)值，以便事后查閱進(jìn)行質(zhì)量追溯。

3 下位機(jī)編程

下位機(jī)編程軟件為STEP7 V5.5 SP4，用于西門子300和400 系列PLC。在硬件組態(tài)里可以靈活設(shè)定子站模塊的I/O 地址，從而極大簡化了編程的工作量，也有利于項(xiàng)目的移植。

程序分為組織塊OB，功能塊FB和FC，數(shù)據(jù)塊DB。所有程序都是在各OB 塊里調(diào)用的，分為主循環(huán)控制組織塊OB1，按固定間隔時(shí)間運(yùn)行的OB35（用于對(duì)運(yùn)行對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的PID 程序等），錯(cuò)誤和故障處理OB 程序（處理硬件錯(cuò)誤等）[5]。

該糖化車間項(xiàng)目按功能和生產(chǎn)工藝，將各鍋槽分別編制FC 塊。另外，還有一些輔助程序，包括將外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻B 塊，對(duì)溫度等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，等。一些重要的功能如耕刀升降等，也單獨(dú)編制了FC 塊。DB 塊的規(guī)劃主要根據(jù)功能和作用分類集中，還要考慮到與上位機(jī)的通訊，比如所有模擬量輸入放在一個(gè)單獨(dú)的DB 塊內(nèi)，接收上位機(jī)工藝指令和設(shè)定值也單獨(dú)存放到一個(gè)DB 塊內(nèi)。

為了現(xiàn)場調(diào)試和后期維護(hù)，編程中應(yīng)特別注意：對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值操作，不要分散在各處應(yīng)該集中，盡量少用上升/下降沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行置位復(fù)位。

4 生產(chǎn)過程中的異常及其處理

上位機(jī)和下位機(jī)合理分工，利用各自優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。上位機(jī)控制整個(gè)運(yùn)行配方，運(yùn)行到某一步則將其指令如“糖化鍋加熱”及相關(guān)參數(shù)（加熱目標(biāo)溫度）下傳至PLC；由PLC 判斷是否滿足運(yùn)行條件（相關(guān)鍋槽的狀態(tài)、閥的狀態(tài)），如果條件滿足則PLC 執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作如開閥和泵等，并根據(jù)條件（溫度達(dá)到設(shè)定值）判定該步聚運(yùn)行結(jié)束，反饋給上位機(jī)；上位機(jī)再自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一步工藝，并下傳指令和參數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

各鍋槽和閥泵等設(shè)置了明確的互鎖條件。比如，糖化鍋出料要求物料下一鍋槽的過濾槽必需具備進(jìn)料條件，同時(shí)閥門等條件必須具備，如果排污閥開啟或者反饋異常，則PLC 不會(huì)出料，可以避免醪液排地溝的風(fēng)險(xiǎn)。這與傳統(tǒng)的人工操作相比較，可靠性和安全性大為提高。

運(yùn)行工藝時(shí)，有互鎖條件的閥在界面上都有提示，操作工即使手動(dòng)也無法打開。

在生產(chǎn)過程中，如果有儀器出現(xiàn)異常，比如閥反饋或者溫度計(jì)損壞，界面會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，提醒相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維修，待其正常后繼續(xù)往下運(yùn)行。

5 現(xiàn)場安裝調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)

由于新啤酒廠的建設(shè)為了趕工期，各施工隊(duì)同時(shí)交叉施工，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜。糖化車間一般高度約在8 m，自上而下依次為土建施工、入戶管道（蒸汽管道等）、糖化物料管道和鍋槽（涉及各種安裝焊接包括各種傳感器底座的焊接及安裝）、自控系統(tǒng)安裝焊接線槽和布線、后期管道和鍋槽的保溫、地面瓷磚鋪貼等。各施工單位一般是搭建腳手架進(jìn)行高空作業(yè)，存在高空墜物傷人或人員跌落的風(fēng)險(xiǎn)。施工一般安排在生產(chǎn)淡季的冬季進(jìn)行，車間氣溫較低。為應(yīng)對(duì)上述因素，施工人員應(yīng)該配備安全帶、頭盔、口罩、安全鞋等防護(hù)裝備。

一些現(xiàn)場儀表（流量計(jì)、電導(dǎo)率儀、溫度計(jì)等）的安裝位置在滿足測(cè)量準(zhǔn)確的前提下，盡量不安裝在高空，以便于日后參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的觀測(cè)。現(xiàn)場客戶為趕工期常要求乙方連夜安裝調(diào)試，因此需要合理分配人員和時(shí)間，準(zhǔn)備照明和施工臨時(shí)電源，夜里盡量多做地面工作，把高空作業(yè)安排到白天進(jìn)行。

在最后通電調(diào)試階段，須反復(fù)檢查接線無錯(cuò)誤之后再通電。通電前，確保電柜和現(xiàn)場都有人員值守并保證通訊（對(duì)講機(jī)或手機(jī)）暢通，然后逐一通電，邊通電邊觀察，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即通知相關(guān)人員切斷電源。對(duì)電機(jī)、水泵等，要點(diǎn)動(dòng)觀測(cè)，調(diào)整為正轉(zhuǎn)。

應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注過濾槽的耕刀升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。如果耕刀升降超出極限位置高度，將嚴(yán)重?fù)p壞過濾槽。調(diào)試時(shí)，需要設(shè)備廠家、低壓電工，PLC 工程師一起，緊密配合調(diào)試。首先應(yīng)將耕刀手搖至中間安全位置，再點(diǎn)動(dòng)確定升降方向是否正確，然后調(diào)試保護(hù)措施。一般是，三重檢測(cè)保護(hù)和一重執(zhí)行保護(hù)：編碼器輸出連續(xù)高度、行程開關(guān)確定極限位保護(hù)（信號(hào)串接到交流接觸器的控制回路）、接近開關(guān)確定工作點(diǎn)位及極限位保護(hù)、增加總交流接觸器確保能正常分?jǐn)嚯娐?。只要?yán)格按照上述步驟調(diào)試，確保所有保護(hù)措施都起作用，即可保證耕刀正常運(yùn)行。生產(chǎn)過程中，上述任何保護(hù)措施出現(xiàn)故障，應(yīng)立即暫停生產(chǎn)待維修正常后再繼續(xù)生產(chǎn)。即使生產(chǎn)正常，也應(yīng)定期核查保護(hù)措施。

糖化系統(tǒng)中需要控制的參數(shù)較多，主要是溫度、流速等，通常采用PID 控制。系統(tǒng)輸出到發(fā)酵車間的醪液溫度、流速非常重要，溫度通常要求控制在8 ℃左右，流速在600 kL/h 左右。流速控制相對(duì)容易，而溫度控制精度一般要求為±0．5 ℃或者更高。由于系統(tǒng)的大滯后性以及現(xiàn)場的波動(dòng)，普通的PID 控制無法達(dá)到控制要求，故在此采用了預(yù)判趨勢(shì)主動(dòng)抗干擾加分階段自動(dòng)調(diào)整PID 系數(shù)的方式，結(jié)果取得了較為理想的控溫效果。

6 結(jié)語

糖化車間自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是啤酒廠較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)備和管道多，傳感器和執(zhí)行器多（閥門、電機(jī)、水泵等），工藝步驟多，參數(shù)復(fù)雜，安裝調(diào)試工作量大且有一定的危險(xiǎn)性。該糖化車間項(xiàng)目在安裝調(diào)試期間嚴(yán)格遵守各項(xiàng)制度，與啤酒廠及其他施工方密切合作，使生產(chǎn)線按時(shí)順利投產(chǎn)。該控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了減員增效的既定目標(biāo)，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在保證糖化生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)大幅提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到8 鍋·次/d，獲得了廠家的好評(píng)。